[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surfaces-Enabled Vehicular Networks: A Physical Layer Security Perspective

Abubakar U. Makarfi, Khaled M. Rabie+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 49被引用 47

一句话总结

本论文分析了 RIS 支持的车载网络在物理层安全方面的表现，推导了两种模型（V2V with RIS-AP 与 VANET with RIS relay）的 ASC 与 SOP 表达式，并通过蒙特卡罗仿真进行验证。

ABSTRACT

This paper studies the physical layer security (PLS) of a vehicular network employing reconfigurable intelligent surfaces (RISs). RIS technologies are emerging as an important paradigm for the realisation of next-generation smart radio environments, where large numbers of small, low-cost and passive elements, reflect the incident signal with an adjustable phase shift without requiring a dedicated energy source. Inspired by the promising potential of RIS-based transmission, we investigate the PLS of two vehicular network system models: One with vehicle-to-vehicle communication with the source employing a RIS-based access point, and the other is in the form of a vehicular adhoc network (VANET), with a RIS-based relay deployed on a building; both models assume the presence of an eavesdropper. The performance of the proposed systems are evaluated in terms of the average secrecy capacity (ASC) and the secrecy outage probability (SOP). We present accurate analytical expressions for the two performance metrics and study the impact of various system parameters on the overall performance of the two considered system configurations. Monte-Carlo simulations are provided throughout to validate the results. The results show that performance of the system in terms of the ASC and SOP is affected by the location of the RIS-relay as well as the number of RIS cells. Moreover, upto an order magnitude gain could be achieved within certain regions when the number of RIS cells are doubled, clearly indicating the benefit of employing a RIS configuration.

研究动机与目标

• 激励将 RIS 作为移动车载网络的可行技术，以提升物理层安全。
• 建立两个支持 RIS 的车载场景模型，在窃听下量化保密性能。
• 推导平均保密容量 (ASC) 与保密性中断概率 (SOP) 的准确解析表达式。
• 提供便于参数分析和设计指导的近似闭式解。

提出的方法

• 模型 1（V2V 与 RIS 作为接入点）：使用目的地和窃听者处的信噪比表达式及其 MGFs 推导 ASC 与 SOP；通过联合积分表达 ASC，并转化为基于 MGF 的形式。
• 模型 2（VANET 与 RIS 中继）：在 RIS 放置于建筑物并充当中继的情形下推导 ASC 与 SOP；处理级联和双瑞利衰落信道；获得 MGFs 并对 SOP 使用 CLT。
• 使用 Meijer G 函数和 Gauss 超几何函数来表征级联信道的 MGFs 与 CDF。
• 通过 Jensen 不等式提供近似的 ASC 表达式，以提升可处理性和洞察力。
• 在系统参数（RIS 规模、链路距离、发射功率）下通过蒙特卡罗仿真验证分析结果。
• 给出闭式的近似 ASC 表达式，以便于参数分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS 部署（作为 AP 或中继）在 RIS 支持的车载网络中如何影响保密性能？
• RQ2 这两种 RIS 支持的车载网络模型中，ASC 和 SOP 的闭式或易于计算的表达式是什么？
• RQ3 系统参数（RIS 单元数量、距离、发射功率）如何影响保密性指标？
• RQ4 近似 ASC 表达式在实际工作区间是否能准确反映精确结果？

主要发现

• RIS 配置在车载网络中的保密容量相较无 RIS 的设置有所提升。
• 保密性能对 RIS 位置和 RIS 单元数量高度敏感，较大的 RIS 能带来显著增益。
• 将 RIS 单元数量翻倍在某些区域可带来保密指标的数量级提升。
• 作者给出准确的精确表达式和可处理的近似封闭形式解，与蒙特卡罗结果吻合良好。
• 蒙特卡罗仿真在多种参数设置下验证了分析结果。
• 本工作展示了 RIS 支持的车载通信在超越 5G 的场景中的可行性和安全性收益。